土壤—水稻系统镉、铅源汇耦合关系模型的研究开题报告

1. 研究目的与意义、国内外研究现状（文献综述）

1.本课题的意义

土壤重金属污染是指由于人类活动将重金属直接或者间接地引入土壤中，致使土壤中重金属明显高于原生含量，并造成生态环境质量恶化的现象。目前，世界各国土壤存在不同程度的重金属污染，我国区域农业环境恶化与农产品受重金属污染现象也十分严重，特别是在一些经济发达地区。据不完全统计，我国受到镉、砷、铅、汞的等重金属污染的耕地近2000万hm²，约占总耕地面积的1/5，其中镉污染耕地1133万hm²，涉及11个省25个地区。^[1]水稻作为世界第二大的粮食作物，也是我国第一大粮食作物，在人类日常膳食消费中具有重要地位。目前，我国水稻种植面积约1.56×10⁸hm²，约占全国农作物播种面积的1/5.我国南方占有全国约90%的水稻土。稻田的重金属污染不仅使水稻生长发育受到阻碍，导致减产或绝收，更为严重的是有毒重金属通过土壤-水稻-人的食物链，对人们的生命和健康造成威胁。尤其是镉（Cd）、铅（Pb）这两种典型的重金属元素，是土壤中生物毒性较强且在农田污染较为严重的污染物，浓度较低的条件下就能对人体产生严重危害，前些年发生在广东的镉大米事件和湖南的儿童“血铅”事件，就是由于土壤重金属Cd、Pb重金属污染所致。

为维护农田土壤安全，保护水稻食品质量，需探究土壤与水稻镉、铅迁移转化关系，本课题从土壤—水稻重金属含量关系进行深入研究，通过对不同区域采集的土壤进行污染风险评价，揭示在不同污染特征下镉、铅在土壤与水稻体内迁移转化规律，构建土壤—水稻重金属Cd、Pb源汇耦合模型，以便更好地预测水稻籽粒重金属含量超标风险；同时根据污染来源不同，探究稻田土壤—水稻根茎叶镉、铅含量耦合模型的主控因子，为不同污染类型下土壤修复治理提供理论依据。

2.国内外研究概况

土壤是一个极其复杂的有机体，土壤理化性状（土壤pH、有机质、土壤质地、阳离子交换量等）、根系分泌物等诸多影响因素均能影响农作物对重金属的吸收。为构建土壤-水稻系统重金属源汇耦合模型，国内外研究者采取了很多研究办法，主要包括机理模型、半机理模型^[2]及经验模型^[3]。其中机理模型和半机理模型虽然能够从一定程度上解释重金属在土壤-作物中迁移转化的生物化学行为，但模型的构建需要建立在多种假设的基础上，测得大量的参数，并且其中有些假设的机理并不十分明确，导致很多参数不但测量困难而且不确定性较大。

经验模型利用多元回归分析方法^[4]的统计学原理，将K_d（固液分配系数）、BCF（生物富集系数）等一些归一化参数与土壤-水稻体系中各种参数建立联系，并从中提取主要的影响因子，构建经验性的预测模型，是目前国内外研究土壤-作物系统重金属源汇耦合模型常用的方法。

目前，国内外已建立的经验模型主要分为线性模型、指数模型和对数模型三大类，指数和对数模型往往是通过数学方法将模型的参数进行转换，通常也以线性模型的形式呈现。

Cheng等^[5]对从浙江省典型农业区域12个地点随机采集的水稻与土壤样本进行分析，发现水稻籽粒中重金属含量与土壤中DTPA提取重金属有效态呈正相关，较好地建立了水稻籽粒镉与土壤重金属有效态之间的线性回归模型。Zeng等^[6]在浙江省南湖、桐乡和萧山县等典型工业污染区域成对采集土壤与水稻样品，测定土壤pH值、采用EDTA提取重金属有效态、测定土壤与水稻重金属含量，发现铜、铅、锌等元素的有效态与土壤pH呈显著的负相关关系，与有机质呈正相关关系。用逐步多元回归分析表明可用对数关系来拟合水稻可食部分重金属含量。Chen等^[7]在长江三角洲地区采样成对采集72对土壤与水稻样品，研究土壤-水稻系统中重金属的转移和积累特征，通过多元回归分析较好地预测了水稻土壤与水稻镉、锌、铜含量。季梦兰等^[8]在广西西江流域成对采集早稻样品190对，通过一元回归分析发现土壤有效态Cd、pH、SOM与水稻糙米Cd的积累具有明显的相关性，并进一步通过多元回归分析，得到生物富集系数和有效态镉之前关系的模型。

国内外研究者在不同的区域采用多元回归分析方法构建了大量的土壤-水稻重金属耦合关系模型（表1），采用的变量主要包括土壤理化性状、土壤-水稻重金属含量。

表1 土壤-水稻重金属耦合模型

式中：[Cd]_Grain表示水稻籽粒镉含量，pH表示土壤pH值,CEC表示土壤阳离子交换量。

综上所述，已有的土壤-水稻重金属耦合关系大多是针对特定重金属元素在土壤中的迁移及在植物体内的富集状况来开展，主要目的是为了解释重金属在土壤-水稻系统中的迁移转化规律，模型的预测能力并没有得到检验（决定系数R²并不大），在实际应用中并没有很强的解释能力。

3.应用前景

本课题在于探究土壤中Pb、Cd在土壤与水稻内迁移转化关系，以水稻典型产区实际大田为研究样区，分析区域尺度上稻米及其产地环境中重金属污染的空间分布特征、对应空间关系、影响机制和定量迁移模型等，构建基于不同污染特征地区的土壤—水稻重金属Cd、Pb源汇耦合模型，可以定量地预测稻田系统重金属Cd、Pb污染情况，从而对研究区稻米安全生产进行指导帮助，为其它稻米主产区的土壤质量评价及农作物安全生产布局提供借鉴，对于全面提升农产品安全和产地环境质量的整体水平，促进经济、社会、生态环境的和谐进步及农业的可持续发展具有重要意义。

2. 研究的基本内容和问题

1.研究目标

建立和优化不同污染来源的土壤-水稻cd、pb源汇耦合模型。

2.研究内容

3. 研究的方法与方案

1.研究方法1.1数据提取 文献调研和盆栽试验相结合，包含土壤数据和作物数据（根、茎、叶和籽粒）。文献调研对象是近三十年来国内外有关土壤-水稻系统的重金属研究成果；盆栽试验收取成熟期土壤和水稻各部分样品在实验室进行检测。1.2构建土壤—水稻重金属源汇耦合模型 多元回归分析：一种经典的统计学方法，该方法通过线性相关性分析影响作物重金属含量的多个变量之间的关系，提取具有代表性的影响因子，再采用最小二乘法估计模型将这些因子建立数学模型（回归模型），并通过回归系数r2反映模型的拟合好坏，r2越接近1则模型拟合效果越好。1.2.1土壤ph的测定 用水浸提液或土壤悬液测定ph值时，应用指示电极phs-3c复合电极测定该试液或悬液的电位差。由于电极的电位是固定的，因而该电位差的大小取决于试液中氢离子活度，在酸度计上可直接读出ph值。1.2.2土壤有机质的测定 利用浓硫酸加入到重铬酸钾水溶液中生产的热量（稀释热），重铬酸钾将有机质中的有机碳氧化，使部分六价铬（cr6 ）被还原成绿色的三价铬（cr3 ），用比色法测定被还原的三价铬。以葡萄糖标准溶液中碳氧化液为标准色阶，进行比色测定，计算土壤中有机碳并换算成有机质含量。1.2.3氯化钡法测定阳离子交换量 根据其大致的cec值称样1-5克,放入50ml离心管中,加人20ml 0.1mbacl2 ,在往复振荡机上缓缓震动2小时,随后以2500转/分的速度离心10分钟,以whatman42滤纸过滤上部清液，滤液收集在塑料瓶中供分析ca、mg、na、k、al、mn和fe用，全部分析步骤重复三次。1.2.4土壤重金属总量的测定方法 准确称取过100目土壤0.2000g于聚四氟乙烯消解管中，加入10ml盐酸（hcl），插入消解孔中。设定消解仪温度为100℃，加热至样品剩余少量（约5h）后取下冷却。加入5ml硝酸（hno3）、5ml氢氟酸（hf）、3ml高氯酸（hclo4），加盖。设定消解仪温度为170℃，升温加热约2.5h，冷却后开盖。继续加热挥硅，升温到200℃，待冒浓白烟至少量后，取下冷却，液体呈透明。 将消解完成的土壤样品从聚四氟乙烯管中转移到10ml容量瓶中，用超纯水定容到10ml，过0.45μm的滤膜，稀释到一定的倍数后（微量元素一般稀释10-100倍，大量元素稀释10倍），大量元素用icp-oes测定，微量元素用电感耦合等离子体质谱仪测定。1.2.5土壤重金属有效态的测定——cacl2提取法 a.准确称取过20目的土壤样品10.00g于100ml聚乙烯塑料瓶中，加50ml 0.01mol/l的氯化钙溶液，在摇床上以180r/min的速率震荡1.5h，待用。 b.准确称取过20目的土壤样品2.500g于100ml聚乙烯塑料瓶中，加25ml 0.01mol/l的氯化钙溶液，在摇床上以180r/min的速率震荡1.5h，待用。1.2.6植物样品（根、茎、叶、籽粒）的测定方法 采用硝酸-高氯酸消解法和微波消解法，消解结束的样品过0.45μm的滤膜，分别配制相应元素的标线，稀释一定的倍数后（一般稀释10-50倍），用电感耦合等离子体质谱仪测定。

2.技术路线

3.实验方案

4. 研究创新点

已有的土壤-水稻系统重金属铅、镉源汇耦合模型主要是为了解释重金属在土壤-水稻系统中的迁移转化规律，构建的模型没有很好地解释区域尺度上产地环境中重金属污染的空间分布特征、对应空间关系、影响机制和定量迁移特征等对稻米中重金属含量的影响。

但在实际研究过程中我们发现，不同污染来源（工矿开采、污水灌溉等）对于土壤-水稻系统的重金属迁移转化和含量有着不同程度的影响。

本课题以典型水稻种植污染区域的实际大田为研究对象，旨在构建不同污染特征下的土壤-水稻重金属源汇耦合模型，并判定模型的主要影响因素，切实加强模型的应用性，从而为农田土壤重金属的分类防控提供依据。

5. 研究计划与进展

2020.2-2020.3查阅相关资料，撰写文献综述与开题报告；

2020.3-2020.4 完成土壤理化性状的测定（ph、有机质等）；

2020.4-2020.5完成水稻样品的消解与测定及数据处理；